專利名稱：高壓能源采集和轉(zhuǎn)換可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)及用于該系統(tǒng)的可視監(jiān)控和控制系統(tǒng)的制作方法
高壓能源采集和轉(zhuǎn)換可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)及用于該系統(tǒng)的可視監(jiān)控和控制系統(tǒng)
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求申請?zhí)枮?1/389，816、申請日為2010年10月5日和申請?zhí)枮?1/485，384、申請日為2011年5月12日的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，每個都合并引用在本申請中。技術(shù)領(lǐng)域
本申請總體上涉及可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)(renewable energy, utilitysize electric power systems),尤其是,高壓能量采集和轉(zhuǎn)換可回收能源的采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以及用于所述系統(tǒng)的可視監(jiān)控和控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在此所用的術(shù)語“可回收能源電力系統(tǒng)”指的是使用大量互連的光伏模塊形成太陽能發(fā)電廠或發(fā)電站(solar farm or power plant)的實用規(guī)模的電力系統(tǒng),或者是使用大量互連的風力渦輪發(fā)電機形成的風力發(fā)電廠或發(fā)電站。
實用規(guī)模(從5到100兆瓦特(MWe)輸出量不等)的太陽能光伏電力系統(tǒng)包括大量太陽能光伏電力收集器，例如太陽能光伏模塊，其提供DC (直流)電力來配置DC給AC逆變器，逆變器將DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力。
實用規(guī)模的風力系統(tǒng)包括大量電互連的風力渦輪發(fā)電機。風力渦輪機驅(qū)動的發(fā)電機組件可以是其輸出軸適當?shù)伛詈系桨l(fā)電機上的風力渦輪機。眾所周知的一種是行業(yè)指定的類型4風力渦輪發(fā)電機電力系統(tǒng)，其中發(fā)電機是具有可變頻率、可變電壓輸出的永磁同步發(fā)電機(synchronou s permanent magnet generator),所述可變頻率、可變電壓輸出提供給整流器，整流器整流后的輸出DC鏈路(link)提供DC給AC逆變器。之后逆變器輸出電流通過線路變壓器(line transformer)進行變換，將逆變器輸出電壓電平變換成柵級電壓(gird voltage)電平。
對于無論是太陽能或風力可回收能源的實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，所述電力系統(tǒng)組件明顯比傳統(tǒng)住宅(residential)或商業(yè)規(guī)模的發(fā)電站分散在更多的土地上，從而使得電力系統(tǒng)的物理可視化和控制的挑戰(zhàn)超過了用于傳統(tǒng)規(guī)模的發(fā)電站的類型I線路集中控制板(line centralized control boards)。
本發(fā)明的一個目的是提供用于高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)與集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)(centralized grid synchronized multiphase regulated currentsource inverter system)相結(jié)合的的監(jiān)控和控制系統(tǒng)。其中可回收能源采集是在采集網(wǎng)絡(luò)中被分配地功率優(yōu)化(power optimized)。
本發(fā)明的另一個目的是提供高壓能源采集與集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)的結(jié)合，以及用于實用規(guī)模的可回收能源系統(tǒng)的可視監(jiān)控和控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供用于可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)的能量(power)收集、轉(zhuǎn)換、監(jiān)控和控制系統(tǒng)，其包括可被系統(tǒng)操作者用于電力系統(tǒng)的集中輸入輸出控制和監(jiān)控的三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境(a three dimensional, visually-oriented, virtual reality display environment)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)。高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)具有多行(multiple strings)可回收能源收集器,每行有DC輸出和分布在采集網(wǎng)絡(luò)上的多個可回收能源功率優(yōu)化器(power optimizer)。每個可回收能源功率優(yōu)化器具有至少一個連接至多行可回收能源收集器的至少一個的能源收集器行(string)的功率優(yōu)化器輸入。每個多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器(transmitter)具有連接至DC鏈路的高壓DC輸出。集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)連接至DC鏈路，并具有多個可被連接至輸電網(wǎng)絡(luò)(electrical grid)的并網(wǎng)逆變器封裝模塊(grid inverter package modules)。
本發(fā)明的另一個方面是可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)；集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)；用于監(jiān)控和控制所述高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)的虛擬沉浸式(virtualimmersion)監(jiān)控系統(tǒng)和中心控制系統(tǒng)。多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有至少一行功率優(yōu)化器輸入，所述功率優(yōu)化器輸入連接至多行可回收能源收集器至少一行的DC輸出。多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有連接至DC鏈路的高壓DC輸出。多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)被連接至DC鏈路，并具有多個并網(wǎng)變換器封裝模塊。
本發(fā)明的另一方面是從實用規(guī)模的可回收能源系統(tǒng)中采集、轉(zhuǎn)換、監(jiān)控和控制可回收能源的方法。所述可回收能源系統(tǒng)包括高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)，所述采集網(wǎng)絡(luò)包括多行可回收能源收集器，多行可回收能源收集器的每一個具有DC輸出。采集網(wǎng)絡(luò)還包括多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器。多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有至少一行功率優(yōu)化器輸入連接至多行可回收能源收集器的至少一行的DC輸出。多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個都具有連接至DC鏈路的高壓DC輸出?？苫厥漳茉聪到y(tǒng)還包括集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)，其連接至DC鏈路并具有多個并網(wǎng)逆變器封裝模塊。本發(fā)明中的高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)的虛擬沉浸式監(jiān)控在三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境中執(zhí)行。通過與三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境進行通信，高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)和集中并網(wǎng)·多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)被中心地控制。
上述發(fā)明的方面被進一步闡述在本發(fā)明書和權(quán)利要求書中。


為了說明本發(fā)明的目的，下面顯示在附圖中的是目前優(yōu)選的形式；它應(yīng)被理解為但并不限于所示的具體排列和方式。
圖1是用于收集和轉(zhuǎn)換太陽能的可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)以及用于電力系統(tǒng)的本發(fā)明的監(jiān)控和控制系統(tǒng)的一個實施例的單行簡化方框圖。
圖2是用于本發(fā)明某些實施例中的太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器的一個實施例圖解。
圖3是可用于圖2中所示的太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器的諧振DC-DC變換器的一個實施例圖解。
圖4圖解了當連接至DC-DC變換器輸入的光伏行電壓(photovoltaic stringvo I tage )為低電壓時，圖3中所示的諧振DC-DC變換器的變換器電流近共振(nearresonance)的波形。
圖5圖解了當連接至DC-DC變換器輸入的光伏行電壓(photovoltaic stringvoltage)為高電壓時，圖3中所示的諧振DC-DC變換器的變換器電流非共振(offresonance)的波形。
圖6所示是太陽能發(fā)電廠的太陽能光伏模塊與用于本發(fā)明的太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器之間互連的一個實施例。
圖7是本發(fā)明的三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境的一個三維可視顯示圖的簡化的黑白演繹。
圖8是用于收集和轉(zhuǎn)換風能的可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)以及用于電力系統(tǒng)的本發(fā)明的監(jiān)控和控制系統(tǒng)的一個實施例的單行簡化方框圖。
具體實施方式
圖1是用于收集和轉(zhuǎn)換太陽能的可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)以及用于電力系統(tǒng)的本發(fā)明的監(jiān)控和控制系統(tǒng)的一個實施例的單行簡化方框圖。在本實施例中，有高壓太陽能光伏能源收集(也是指“采集”)網(wǎng)絡(luò)12 ;集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)14 ;以及可選的虛擬沉浸式監(jiān)控和控制系統(tǒng)16。升壓變壓器18 (step-up transformer)將在并網(wǎng)逆變器封裝模塊(GrIP) 14a-14d中的變換器的輸出從高壓輸電網(wǎng)絡(luò)電隔離開。
可選的高壓太陽能光伏能源采集網(wǎng)絡(luò)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)進一步在申請?zhí)枮?2/542,891 (公開號為2009/0302686)美國專利申請中有描述，所述申請的全文被合并引用在本說明書中。
虛擬沉浸式監(jiān)控和控制系統(tǒng)包括虛擬沉浸式設(shè)備監(jiān)督(VIEW, virtual immersionequipment watchdog)模塊16a和中心控制模塊16b。
圖2顯示了圖1中在高 壓太陽能光伏能源收集系統(tǒng)12的多個實施例中采用的太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器(SPOT)的一個實施例。圖2中的SP0T20包括多個DC-DC變換器20a (本實施例中為四個)、處理器20b (本實施例中實例為微處理器μ P)、以及收發(fā)器(transceiver) 20c (在本實施例中為具有發(fā)射和接收天線20c’的射頻RF收發(fā)器)。
圖2中的四個DC-DC變換器將可變光伏“行”(string)電壓和電流變換為平行固定高電壓(例如1250伏特DC)。在本實施例中如圖2中所示，兩個變換器的正(+ )輸出并聯(lián)在一起，另外兩個變換器的負(-)輸出并聯(lián)在一起，形成通用(中性)電路(common(neutral)circuit)。四個變換器的剩余四個輸出被如圖2所示共同連接在一起。變換器的平行正負輸出被并聯(lián)連接(被夾緊)至高DC電壓上的DC鏈路(圖1和2中顯示為DC鏈路總線(DClink bus) 22)，所述高DC電壓是每個DC-DC變換器的輸出電壓的兩倍(例如1.25kV DC)。參見圖1的單行框圖，其中多個太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器(如圖2所示)可被連接至多個太陽能光伏模塊30。
圖3是可用于圖2中的太陽能優(yōu)化器和發(fā)射器20的DC-DC變換器的一個圖解實施例。每個DC-DC變換器包括兩部分:并聯(lián)諧振全橋逆變器20a’(aseries resonant fullbridge inverter)和濾波器和整流器的組合輸出 20a’’ (acombination output filterand rectifier section20a’’)。這兩部分通過高頻(范圍在10kHz_20kHz)變壓器Tx與彼此隔離。在隨著逆變器工作頻率變化的端子I和2處，電源(power)從輸入光伏行源(inputphotovoltaic string source)獲取。輸入電流(Idc)和電壓(E)由圖2中的處理器20b測量，處理器調(diào)整逆變器的工作頻率，從而DC-DC變換器在最大功率點值(maximum powerpoint value)處運行。變換器的輸入逆變器的工作頻率在近共振變化，其被圖3中的電感器Ltank和電容器Ctank的值限定，形成串聯(lián)諧振環(huán)路。隨著頻率接近諧振點，逆變器從輸出光伏行處獲得更多電流，引起光伏行電壓降低。如下面進一步描述的，處理器20b的功能之一是將光伏行電壓和電流的數(shù)學上的結(jié)果維持在最大功率點值。圖4圖示了當輸出光伏行電壓為低電壓時的近諧振逆變器輸出電流。圖5示出了當輸出光伏行電壓為高電壓時的非諧振逆變器輸出電流。
處理器20b可以是微處理器，所述微處理器與1/0設(shè)備通信，1/0設(shè)備為每個DC-DC變換器20a在輸入處獲取行電壓和電流。處理器在每個變換器的輸入處監(jiān)控行電壓和電流，每個變換器的控制操作通過執(zhí)行用于最大功率點跟蹤(MPPT)算法(maximum powerpoint tracking algorithm)的計算機代碼,來從每個太陽能光伏模塊采集最大功率。例如，算法可包括“干擾觀測法(disturb and observe)”子程序，通過該子程序DC-DC變換器的工作頻率有少量變化，且MPPT算法決定是否隨著頻率擾動增加或減少采集的功率。
若在本發(fā)明具體實施例中采用收發(fā)器20c，該收發(fā)器20c發(fā)送電力系統(tǒng)(powersystem)數(shù)據(jù)給虛擬沉浸式監(jiān)控和控制系統(tǒng)。該電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以包括:行電壓量、行電流量、行功率量、SPOT輸出電流量、SPOT工作溫度以及SPOT運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，所述SPOT運行狀態(tài)數(shù)據(jù)例如否SPOT在來自所有輸入光伏行的完全最大輸出功率(full maximum inputpower)下工作，還是在來自輸出光伏行的至少一部分的有限的最大輸出功率(limitedmaximum input power)下工作。收發(fā)器20c接收包括電力系統(tǒng)數(shù)據(jù):電力系統(tǒng)限制命令數(shù)據(jù)(power system limit command data)和電力系統(tǒng)的開關(guān)機或控制。電力系統(tǒng)開關(guān)機狀態(tài)可被例如測知是否特定DC-DC變換器是在可選的震蕩狀態(tài)(在此狀態(tài)電力系統(tǒng)開機)而被確定。遠程電力系統(tǒng)開關(guān)機命令(來自中心控制模塊)可被用于促進SPOR的維護。一種收發(fā)器20c進行發(fā)射和接收的方法是通過網(wǎng)格無線電系統(tǒng)(mesh radio system)。
圖2中所示的本發(fā)明的一個實施例采用了太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器，每個光伏行31可包括20 25之間的光伏模塊。取決于太陽能能源系統(tǒng)參數(shù)，如太陽輻照量、陰影、環(huán)境惡化(environmental deterioration)等，每行的輸出通常在I到10安培DC (在400到1000伏特DC)。一組四個太陽能光伏模塊行可連接至圖2中所示的行SP0T，對于最大值為25000瓦特的每個具有四行輸入的SP0T，以生成大約200到6250 “瓦特/輸入行”。
圖6圖示了本發(fā)明的一個采用太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器的互連可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)的實施例。最大數(shù)量的太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器，例如20個，可共享每個SPOT“水平的”總線21a、21b、21c......21x，見圖6中所示。例如SPOT水平總線21a具有20個連接至總線的太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器21 ....21a2Q。這些互連的20個太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器以 及連接至這些20個太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器的光伏模塊，包括光伏能源采集陣列21，所述光伏能源采集陣列21表征在圖1中圖示出的高壓光伏能源采集網(wǎng)絡(luò)12的一部分，并能從太陽能輻射產(chǎn)生500kW的最大值。光伏能源采集陣列21可包括4 (光伏)行光伏模塊，該4 (光伏)行光伏模塊連接至在陣列21中的每一個20個太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器，其中每個光伏行由大約20到25個串聯(lián)的光伏模塊組成。光伏模塊的四個光伏行的組合可被看做由大約80到100個模塊組成的光伏“組(cluster)”，由此陣列21內(nèi)具有20個太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器，總共有1600到2000個光伏模塊被連接至SPOT水平總線21a。其它每個包括SPOT水平總線21b……21x (其中“x”是一個變量，代表最后一個包括光伏采集網(wǎng)絡(luò)23的總線和陣列)的光伏能源采集陣列，其也可從太陽能輻射產(chǎn)生500kw的最大值；圖6中沒有示出這些陣列中的光伏行連接至太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器。每個SPOT水平總線各自連接至SPOT“垂直”總線(圖6中的26a、26b、26c……26x)，以連接至在集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)14中的并網(wǎng)逆變器封裝模塊(14a、14b、14c和14d)。根據(jù)連接至每個太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器的光伏模塊陣列提供最大10安培DC，這種實際的排列會將形成每根SPOT垂直總線的導體的尺寸限制在200安培DC的最大電流容量。
圖1中的中心控制模塊16b包括用于在多個太陽能優(yōu)化器和發(fā)射器之間進行通信的電路，在集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)內(nèi)的逆變器模塊，以及用于發(fā)送和接收電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，例如:收集從每個SPOT發(fā)送的數(shù)據(jù)；優(yōu)選地通過例如安全以太網(wǎng)(secureEthernet)的安全數(shù)據(jù)鏈路17 (圖1中虛線所示)與并網(wǎng)逆變器封裝模塊14a_14d進行通信；如果在本發(fā)明具體實施例中使用三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境的話，通過例如VIEW計算機系統(tǒng)與三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境進行通信；監(jiān)控被集中逆變器系統(tǒng)(centralized inverter system)注 入(injected)網(wǎng)絡(luò)(gird)中的高壓(HV)輸電網(wǎng)絡(luò)電壓；監(jiān)控采集12和變換14系統(tǒng)之間的DC鏈路上的電壓；控制發(fā)送至每個并網(wǎng)逆變器封裝模塊的設(shè)置DC (set DC)輸入電流量，其中設(shè)置DC輸入電流量是設(shè)定以匹配采集12系統(tǒng)產(chǎn)生的電流供應(yīng)與變換14系統(tǒng)的需求；以及控制相對于AC柵極電壓(gird voltage)相位注入(injected into)到網(wǎng)絡(luò)中的AC電流相位。
本發(fā)明的一個實施例，能源變換系統(tǒng)14包括多個逆變器封裝模塊。圖1和6的系統(tǒng)實施例中圖示了四個并網(wǎng)逆變器封裝模塊14a-14d，通常本發(fā)明其它實施例的并網(wǎng)逆變器封裝模塊的總數(shù)在3到40的范圍內(nèi)。并網(wǎng)逆變器封裝模塊包括電路，用于:將并網(wǎng)逆變器封裝額定功率(圖1實施例中為2500kV)從DC變換成AC ;將并網(wǎng)逆變器封裝操作參數(shù)發(fā)送(報告)給中心控制模塊和三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境(例如VIEW計算機);從中心控制模塊接收操作參數(shù)，例如上述的設(shè)置DC輸入電流量設(shè)定值(set point)和并網(wǎng)逆變器封裝的輸出相位角。發(fā)送的操作參數(shù)可包括:送至并網(wǎng)逆變器封裝模塊的DC輸入電流；來自并網(wǎng)逆變器封裝模塊的AC輸出相位電流；來自并網(wǎng)逆變器封裝模塊的AC輸出相位電壓；來自并網(wǎng)逆變器封裝模塊的AC輸出功率；來自并網(wǎng)逆變器封裝模塊的輸出頻率；在并網(wǎng)封裝模塊冷卻子系統(tǒng)中的冷卻劑(如果使用的話)的溫度；以及所選擇的并網(wǎng)逆變器封裝電路元件的溫度。
本發(fā)明的一個實施例，虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)是包括VIEW計算機系統(tǒng)的三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境，其用于:收集采集系統(tǒng)的信息；用下面進一步描述的三維虛擬現(xiàn)實來呈現(xiàn)收集的采集信息；基于對太陽能能源可回收電力系統(tǒng)的有效行輻照(availablestring irradiation),預測注入電網(wǎng)的電功率輸出。
圖7中所示的本發(fā)明的虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，是在VIEW計算機虛擬單元上的高壓太陽能光伏能量收集網(wǎng)絡(luò)的部分顯示出的三維圖像的簡化黑白圖示。在圖示中，光伏模塊30形成了光伏行，該光伏行相對于已安裝的動態(tài)外部環(huán)境是可視的，該動態(tài)外部環(huán)境包括例如組件的動態(tài)實時云陰影(dynamic real time cloud shading ofcomponents)。圖中所示SP0T20的相對位置，與從連接至SP0T20的輸入的光伏行的導體91以及連接SP0T20輸出的DC鏈路22連同在一起(along with)。每個SPOT可被封閉在大約12X 12X6英寸的外殼內(nèi)，圖7所示，該外殼頂部具有用于光伏行輸入的四條連接(connection)，其中三條經(jīng)過(除了在SPOT水平總線底部的SPOT)在SPOT外殼的側(cè)面或SPOT外殼的底部的輸入和輸出導體(圖2中所示的正、負和中性(普通)的)。每個光伏模塊的光伏組可被安裝在一個結(jié)構(gòu)支撐架(structural supporting rack)上,可充當與光伏組相關(guān)聯(lián)的太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器的固定結(jié)構(gòu)(mounting structure)(在架的下面或側(cè)面)。所有的顏色解碼元件、云可視化(cloud visualizations)、以及其他下述可視沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)的顯示元件都由VIEW計算機可視顯示單元提供的電力系統(tǒng)的三維圖像中完成，該VIEW計算機可視顯示單元是三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境的一個元件。
提供了本發(fā)明的虛擬沉浸式監(jiān)控和控制系統(tǒng)的用于太陽能電力的兩個典型實施例。一個實施例采用了固定傾斜追蹤光伏陣列(fixed-tilt tracking photovoltaicarrays),另一個米用了雙軸追蹤光伏陣列(dual-axis tracking photovoltaic arrays),圖1的基座31所示。太陽能發(fā)電廠場所的精確三維描述并入VIEW計算機顯示模型中。操作者的對VIEW計算機顯示模型的視圖可被提供在合適的計算機可視輸出裝置上，例如視頻監(jiān)控器，從無約束地穿過三維空間的虛擬攝像頭視圖(virtual camera view)上看到。操作者可通過合適的計算機輸入裝置控制攝像頭穿過三維空間的運轉(zhuǎn)，所述計算機輸入裝置例如手持控制器(handheld controller)、操縱桿或追蹤球(trackball)。所述運轉(zhuǎn)可通過光伏陣列，并可選地提供在預置的太陽能發(fā)電廠獨立部件的三維空間軌道上運行。
在太陽能發(fā)電廠的每個單獨光伏行的功率輸出可被顯示在VIEW計算機可視顯示單元上。每個光伏行可被SPOT引用(referenced)，用來控制具有相關(guān)聯(lián)行的SPOT通信性能參數(shù)的行與中心控制模塊。太陽照射在太陽能發(fā)電廠的從早到晚的光線轉(zhuǎn)換可給光伏模塊提供變化的日曬水平，并將影響雙軸跟蹤器(如果用的話)所面對的方向，使其一直垂直于日射方向。本發(fā)明的虛 擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)的一個實施例，功率、電流和電壓值的量通過合適的顏色強度(color intensities)范圍來表征,所述顏色強度是在VIEW計算機可視顯示單元上的電力系統(tǒng)元件圖像的顏色強度，電力系統(tǒng)元件例如光伏模塊、太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器、互聯(lián)的電導體、與并網(wǎng)逆變器封裝模塊相關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件，顏色強度和與電力系統(tǒng)兀件相關(guān)聯(lián)的功率、電流和電壓值有一定關(guān)系。
本發(fā)明的一個實施例，光伏行模塊額定輸出的顏色編碼由連續(xù)色譜(colorspectrum) de色度(shade)來完成,該色譜范圍從在總功率(full power)下用于行操作的亮藍色色度到在小于總功率下的更暗藍色色度，最終，因功能行生成零功率而變成黑色。顏色轉(zhuǎn)換與額定功率輸出成線性關(guān)系。任何由于設(shè)備故障而不產(chǎn)生功率的行被可視地顯示為紅色，以和產(chǎn)生零功率的普通行相區(qū)別。電力系統(tǒng)電導體可由綠色顯示，以表示通過其的電流大小，其中亮綠色代表更高的電流水平，更暗的綠色代表更低的電流水平。導體出現(xiàn)失靈或故障時，顯示紅色。每個SPOT的外殼可由黃色色度來表示，更高的電流水平用亮黃色表示，更低的電流水平用更暗的黃色表示。出現(xiàn)失靈或故障的情況的SPOT的外殼用紅色顯示。逆變器、變壓器、網(wǎng)絡(luò)開關(guān)設(shè)備(gird switchgear)和其他的元件可由自然顏色(natural colors)來呈現(xiàn)。可在用于顯示產(chǎn)生在適當單元中實時總電功率的可視顯示的合適位置放置有源電表圖象圖標(active meter graphic icon),例如千瓦。操作者可控制的可視顯示指示圖標可被操作者用于可視地在電表圖象圖標中顯示功率輸出的詳細信息和具有唯一識別符的系統(tǒng)元件產(chǎn)生的能量，該唯一識別符是例如元件的編號。
在虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)中，云圖像(the image of cloud)可由光伏板表面生成的陰影來重構(gòu)。陰影通過從太陽能發(fā)電廠的部分采集的光伏電力的降低的變量來檢測。
系統(tǒng)可包括預測算法的執(zhí)行，基于相對于站點的云移動參數(shù)(云方向和速度)，該預測算法可視地顯示在接近未來時間(at near time in the future)的系統(tǒng)的功率輸出。
在本發(fā)明的一個實施例模型中，可視化可通過在VIEW計算機可視顯示單元上的專用可視層來完成，以使得通過接通或關(guān)閉所選擇的顯示層來激活設(shè)備(例如，做成透明的光伏模塊)和突出(highlight)電力系統(tǒng)的不同階段。
圖8是用于收集和轉(zhuǎn)換風能的可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)以及用于電力系統(tǒng)的本發(fā)明的監(jiān)控和控制系統(tǒng)的一個實施例的單行簡化方框圖。變頻AC電源由永磁同步發(fā)電機(SG)產(chǎn)生，被AC-DC變換器51整流，隨后應(yīng)用到風力功率優(yōu)化器和發(fā)射器(WP0T)40的輸入。風力功率優(yōu)化器和發(fā)射器將最佳負載應(yīng)用到同步發(fā)電機，用于在最大功率點值運行風力渦輪機。風力功率優(yōu)化器和發(fā)射器40與上述的太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器相似，除了其通常但不絕對的，采用單個DC-DC變換器(如圖3中所示)來替代圖2中所示用于太陽能功率優(yōu)化器和發(fā)射器的四個DC-DC變換器。一個或更多個風力功率優(yōu)化器和發(fā)射器的輸出通過高壓DC鏈路42連接至集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)14，其中系統(tǒng)采用3個或更多個并網(wǎng)逆變器封裝模塊，例如圖8中所示的模塊14a-14d。
如果在本發(fā)明特定實施例中使用虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)。該虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)與一個或更多的風力功率優(yōu)化器和變壓器、以及并網(wǎng)逆變器封裝模塊相通信，以可視化地在VIEW計算機顯示單元上描述風力發(fā)電廠的操作。三維視覺導向的顯示環(huán)境包括風力發(fā)電廠的三維地形層(terrain layer)。可使用通用型的風力發(fā)電機。取決于潤輪機的數(shù)量，可選用適當數(shù)量的并網(wǎng)逆變器封裝，其中每個渦輪機具有大約1.5MW的輸出，每個并網(wǎng)逆變器封裝具有2.5兆瓦特(MW)的額定功率。虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)的可視化是可以被校準的，以使得并網(wǎng)逆變器封裝可見(in the f`oreground)，以及渦輪機和至逆變器系統(tǒng)的鏈接都清晰可見。變壓器可被放置在建筑物外面安裝的逆變器的旁邊。風力渦輪機的輸出的可視化可以是功率計圖像圖標(power meter graphic icon),該功率計圖像圖標是具有至少實時功率輸出和可選的歷史數(shù)據(jù)的數(shù)值或圖像形式，被層放在三維視覺導向的顯示環(huán)境上。
上述描述的用于太陽能能源系統(tǒng)的虛擬沉浸式系統(tǒng)元件也可以被應(yīng)用于用于風力能源系統(tǒng)的虛擬沉浸式系統(tǒng)，除非該元件特別強調(diào)該元件或功能唯一地用于太陽能能源而不是風力能源。
本發(fā)明依據(jù)優(yōu)選例子和實施例進行了描述。任何等價、替代的改進的方案，除去特別強調(diào)的那些，都可在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，包括: 高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)，所述高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)包括: 多行可回收能源收集器，所述多行可回收能源收集器的每一行有DC輸出； 多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器，所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有至少一個連接至多行可回收能源收集器的至少一個DC輸出的的行功率優(yōu)化器輸入，多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有連接至DC鏈路的高壓DC輸出； 集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)，所述集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)具有多個并網(wǎng)逆變器封裝模塊，每個所述并網(wǎng)逆變器封裝模塊具有連接至DC鏈路的輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中多行可回收能源收集器的每一行包括多個太陽能光伏模塊，并且所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個包括: 至少一對DC-DC變換器，所述至少一對DC-DC變換器具有連接至所述至少一行功率優(yōu)化器的每個的行逆變器輸入和連接至DC鏈路的DC鏈路輸出；以及 處理器，用于感測和監(jiān)控所述至少一對DC-DC變換器的每一個的行逆變器輸入的電壓和電流，以及用于控制所述至少一對DC-DC變換器的每一個在最大功率點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中多行可回收能源收集器的每一行包括多個太陽能光伏模塊，并且所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個包括: 四個DC-DC變換器，所述四個DC-DC變換器包括獨立的第一和第二對DC-DC變換器，所述四個DC-DC變換器的每一個DC-DC變換器具有連接至所述至少一個行功率優(yōu)化器的每個的行逆變器輸入，和正負整流器輸出，第一對獨立的DC-DC變換器具有平行連接至DC鏈路的正整流器輸出，第二對獨立的DC-DC變換器具有平行連接至DC鏈路的負整流器輸出，所述第一對獨立的DC-DC變換器的負整流器輸出和第二對獨立的DC-DC變換器的正整流器輸出共同一起連接至DC鏈路； 處理器，用于感測和監(jiān)控所述四個DC-DC變換器的每一個的行逆變器輸入的電壓和電流，以及用于控制所述四個DC-DC變換器的每一個在最大功率點； 收發(fā)器，所述收發(fā)器連接至天線，所述天線用于發(fā)射和接收多個高壓可回收能源采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和多個集中并網(wǎng) 多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，進一步包括中心控制系統(tǒng)，所述中心控制系統(tǒng)包括: 用于在多個所述可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器與多個所述并網(wǎng)逆變器封裝系統(tǒng)進行通信的裝置； 用于發(fā)射和接收多個高壓可回收能源采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和多個集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中四個DC-DC變換器的每一個進一步包括可變頻率控制諧振逆變器，所述諧振逆變器具有通過隔離變壓器連接至行逆變器輸入的諧振逆變器輸入和連接至整流器輸入的諧振逆變器輸出，所述整流器具有連接至正負整流器輸出的輸出，用于通過改變所述可變頻率控制諧振逆變器的工作頻率來控制所述四個DC-DC變換器的每一個在最大功率點的處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中多個可回收能源收集器的每一個包括多個具有整流dc輸出的風力渦輪驅(qū)動DC發(fā)電機，并且所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個包括: 至少一個DC-DC變換器，所述至少一個DC-DC變換器具有連接至所述至少一行功率優(yōu)化器的每個的行逆變器輸入和連接至DC鏈路的DC鏈路輸出；以及 處理器，用于感測和監(jiān)控所述至少一個DC-DC變換器的每一個的行逆變器輸入的電壓和電流，以及用于控制所述至少一個DC-DC變換器的每一個在最大功率點。
7.一種從實用規(guī)模的可回收能源系統(tǒng)中采集、轉(zhuǎn)換、監(jiān)控和控制可回收能源的方法，該可回收能源系統(tǒng)包括:高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)，所述高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)包括:多行可回收能源收集器，所述多行可回收能源收集器的每一行有DC輸出；集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)，所述集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)具有多個并網(wǎng)逆變器封裝模塊，所述方法包括通過分布在高壓可回收能源采集系統(tǒng)內(nèi)的多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器，來優(yōu)化所述多行可回收能源收集器的DC輸出至最大功率點，以及通過DC鏈路將所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器連接至所述集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)。
8.—種可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，包括: 高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)，所述高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)包括: 多行可回收能源收集器，所述多行可回收能源收集器的每一行有DC輸出； 多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器，所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有至少一個連接至多行可回收能源收集器的至少一個DC輸出的的行功率優(yōu)化器輸入，多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有連接至DC鏈路的高壓DC輸出；集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)，所述集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)具有多個并網(wǎng)逆變器封裝模塊；以及 虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)和 中心控制系統(tǒng)，用來監(jiān)控和控制所述高壓可回收能源采集系統(tǒng)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中 其中多行可回收能源收集器的每一行包括多個太陽能光伏模塊，并且所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個包括: 至少一對DC-DC變換器，所述至少一對DC-DC變換器具有連接至所述功率優(yōu)化器的行逆變器輸入和連接至DC鏈路的DC鏈路輸出；以及 處理器，用于感測和監(jiān)控所述至少一對DC-DC變換器的每一個的行逆變器輸入的電壓和電流，以及用于控制所述至少一對DC-DC變換器的每一個在最大功率點。
10.根據(jù)權(quán)利要求8中的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中多行可回收能源收集器的每一行包括多個太陽能光伏模塊，并且所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個包括: 四個DC-DC變換器，所述四個DC-DC變換器包括獨立的第一和第二對DC-DC變換器，所述四個DC-DC變換器的每一個DC-DC變換器具有連接至所述行功率優(yōu)化器的行逆變器輸入，和正負整流器輸出，第一對獨立的DC-DC變換器具有平行連接至DC鏈路的正整流器輸出，第二對獨立的DC-DC變換器具有平行連接至DC鏈路的負整流器輸出，所述第一對獨立的DC-DC變換器的負整流器輸出和第二對獨立的DC-DC變換器的正整流器輸出共同一起連接至DC鏈路； 處理器，用于感測和監(jiān)控所述四個DC-DC變換器的每一個的行逆變器輸入的電壓和電流，以及用于控制所述四個DC-DC變換器的每一個在最大功率點； 收發(fā)器，所述收發(fā)器連接至天線，所述天線用于在所述虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)和中心控制系統(tǒng)之間往返發(fā)射和接收多個高壓可回收能源采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和多個集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8中的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中所述中心控制系統(tǒng)包括: 用于在多個所述可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器與多個所述并網(wǎng)逆變器封裝系統(tǒng)進行通信的裝置； 用于發(fā)射和接收多個高壓可回收能源采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和多個集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的裝置； 用于與所述虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)進行通信的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求8中的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)包括虛擬沉浸式設(shè)備監(jiān)督計算機系統(tǒng)，所述虛擬沉浸式設(shè)備監(jiān)督計算機系統(tǒng)用于收集所述高壓可回收能源采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)；用于在三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境中所述高壓可回收能源采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可視顯示；以及基于對多行可回收能源收集器的的有效輻照，對注入高壓電網(wǎng)的電功率輸出進行預測。
13.根據(jù)權(quán)利要求10中的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中四個DC-DC變換器的每一個進一步包括可變頻率控制諧振逆變器，所述諧振逆變器具有通過隔離變壓器連接至行逆變器輸入的諧振逆變器輸入和連接至整流器輸入的諧振逆變器輸出，所述整流器具有連接至正負整流器輸出的輸出，用于通過改變所述可變頻率控制諧振逆變器的工作頻率來控制所述四個DC-DC變換器的每一個在最大功率點的處理器。
14.根據(jù)權(quán)利要求8中的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中多個可回收能源收集器的每一個包括多個具有整流dc輸出的風力渦輪驅(qū)動DC發(fā)電機，并且所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個包括: 至少一個DC-DC變換器，所述至少一個DC-DC變換器具有連接至所述至少一行功率優(yōu)化器的每個的行逆變器輸入和連接至DC鏈路的DC鏈路輸出；以及 處理器，用于感測和監(jiān)控所述至少一個DC-DC變換器的每一個的行逆變器輸入的電壓和電流，以及用于控制所述至少一個DC-DC變換器的每一個在最大功率點。
15.根據(jù)權(quán)利要求14中的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中虛擬沉浸式監(jiān)控系統(tǒng)包括虛擬沉浸式設(shè)備監(jiān)督計算機系統(tǒng)，所述虛擬沉浸式設(shè)備監(jiān)督計算機系統(tǒng)用于收集所述高壓可回收能源采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)；以及用于在三維視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境中所述高壓可回收能源采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可視顯示。
16.根據(jù)權(quán)利要求12中的可回收能源、實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，其中所述至少一個DC-DC變換器的每一個進一步包括可變頻率控制諧振逆變器，所述諧振逆變器具有通過隔離變壓器連接至所述至少一個行逆變器輸入每一個的諧振逆變器輸入和連接至整流器輸入的諧振逆變器輸出，所述整流器具有連接至正負整流器輸出的輸出，用于通過改變所述可變頻率控制諧振逆變器的工作頻率來控制所述至少一個DC-DC變換器的每一個在最大功率點的處理器。
17.一種從實用規(guī)模的可回收能源系統(tǒng)中采集、轉(zhuǎn)換、監(jiān)控和控制可回收能源的方法，所述可回收能源系統(tǒng)包括:高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)，所述高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)包括:多行可回收能源收集器，所述多行可回收能源收集器的每一行有DC輸出；多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器，所述多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有至少一個連接至多行可回收能源收集器的至少一個DC輸出的的行功率優(yōu)化器輸入，多個可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器的每一個具有連接至DC鏈路的高壓DC輸出；集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)，所述集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)具有多個并網(wǎng)逆變器封裝模塊；所述方法包括步驟:在三維視覺導向虛擬現(xiàn)實顯示環(huán)境中的虛擬沉浸式監(jiān)控，以及中心地控制所述高壓可回收能源逆變器系統(tǒng)和集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)與所述三維視覺導向虛 擬現(xiàn)實顯示環(huán)境的通信。
全文摘要
一種具有高壓可回收能源采集網(wǎng)絡(luò)的可回收能源實用規(guī)模的電力系統(tǒng)，所述可回收能源采集系統(tǒng)由直流鏈路連接至集中并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)。采集系統(tǒng)包括分布的可回收能源功率優(yōu)化器和發(fā)射器，用于控制向并網(wǎng)多相同步調(diào)節(jié)電流源逆變器系統(tǒng)的發(fā)送可回收能源?？商峁┯糜谌S視覺導向的虛擬現(xiàn)實顯示命令和控制環(huán)境的虛擬沉浸式監(jiān)控和控制系統(tǒng)。
文檔編號F03D7/04GK103238259SQ201180058480
公開日2013年8月7日 申請日期2011年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月5日
發(fā)明者歐來閣·S·費什曼, 烏爾里克·K·W·施瓦布 申請人:艾利肯獲取有限公司